JPH06167631A - 高輝度光源用の多角形状光学結合部材 - Google Patents

高輝度光源用の多角形状光学結合部材

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JPH06167631A
JPH06167631A JP5064910A JP6491093A JPH06167631A JP H06167631 A JPH06167631 A JP H06167631A JP 5064910 A JP5064910 A JP 5064910A JP 6491093 A JP6491093 A JP 6491093A JP H06167631 A JPH06167631 A JP H06167631A
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    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源と光導体との間に配置される改良した光
学結合部材を提供する。 【構成】 光学結合部材２４を、多角形断面形状の細長
い光透過性本体部２８で構成する。また、結合部材は中
空の管状構造または中実の構造を有する。中空の管状部
材の内面は高反射材で被覆される。一実施例において
は、結合部材の多角形断面形状は結合部材の軸方向の長
さ全体に沿って一定である。他の実施例では、結合部材
の多角形断面形状は前側端部３０および後側端部３２、
ならびにこれらの間に配設された中央部３４においてそ
れぞれ一定であり、結合部材の各端部と中央部との間に
それぞれ配設された前側および後側移行部３６，３８に
おいては結合部材の軸方向の長さに沿ってそれぞれ低減
および増減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の光導体への高輝
度光源の光学的結合に関し、更に詳しくは、光の混合お
よび光の強度および色の均一性を改良した多角形状光学
結合部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】単一の光源から、光学管、棒またはファ
イバのような複数の光導体を介して多くの離れた位置に
光出力を供給するセントラル照明システムが自動車、デ
ィスプレイおよび家庭の照明を含む多くの異なる用途の
ために提案されている。例えば、米国特許第４，９５
８，２６３号は自動車用にセントラル照明システムを使
用することを開示している。
【０００３】このようなセントラル照明システム用の光
源は、離れた位置に充分な光出力を確保するために高輝
度特性を有する光出力を有することができなければなら
ない。このための適当な光源は、例えば、１平方センチ
メートル当り５０，０００ルーメン以上の高輝度特性測
定値を有する光源である。このような光源は、楕円体形
を有するような適当な反射器およびこの反射器の光学焦
点面に配置された光ファイバの端部に光出力を集束させ
る鏡要素とともに使用された場合、光ファイバの端部に
物理的損傷を生じ得る非干渉性の高輝度集束光出力を発
生することができる。光ファイバの端部に対する損傷を
避けるために、比較的長さが短いワンピース型の円筒形
光学結合棒の形の光結合部材が光学焦点と光ファイバの
端部との間に設けられる。光出力は光結合部材を通る多
くの内部反射を行って光学焦点から光学ファイバに進
む。
【０００４】また、光源から発生し、楕円体形の反射器
で集束された非干渉性の高輝度光出力像は光出力の中心
において最も明るくなって青い色が多くなり、光出力の
外側縁部においては薄暗くなって赤い色が多くなる傾向
がある。光出力が円筒形の光学結合部材に入ると、多く
の内部反射によって光の混合が達成される傾向があり、
これにより光ファイバに入る光出力の外側縁部と中心と
における強度および色の差が低減する。
【０００５】光が円筒形結合部材を通って進むにつれて
光の強度および色の混合が生じるが、円筒形結合部材の
縦軸に沿って明るいスポットが発生する傾向はまだあ
る。電球の放電柱から放出されて、楕円体形反射器の焦
点における像の外側縁部に発生する傾向がある赤い光
は、円筒形結合部材の周辺部の外面近くに残る傾向があ
る。従って、光の強度および色混合を増大することによ
って結合部材の縦軸に沿って明るいスポットが発生する
傾向を低減するように光学結合部材の設計の改良を行う
必要がある。
【０００６】
【発明の概要】本発明は、上述した必要性を満たすよう
に設計された多角形状光学結合部材を提供する。本発明
の多角形状結合部材は単位長当りの内部反射の数を増大
し、これはより大きな軸方向の長さを有する円筒形管状
結合部材によって達成されるものに比較して光強度のよ
り均一な分布および色混合の改良を達成する。
【０００７】従って、本発明は、焦点面に集束された光
源からの非干渉性光を複数の光導体に結合するのに使用
される光学結合部材に向けられている。結合部材は中心
縦軸を有し、光源の焦点と複数の光導体の先端との間に
配設される細長い光透過性本体部を有している。細長い
本体部は光強度分布および光の色混合の均一性を改良す
るように種々の多角形のグループからのみ選択された断
面形状を有している。このグループの種々の断面形状は
長方形、正方形、三角形および六角形を含む。また、細
長い本体部は中空の管状構造または中実の構造を有して
いる。中空の管状部材は高反射材で被覆される。
【０００８】結合部材の一実施例においては、細長い本
体部の多角形断面形状は結合部材の軸方向の長さ全体に
沿って大きさが一定である。結合部材の他の実施例にお
いては、細長い本体部の多角形断面形状は一対の前側お
よび後側端部ならびにこれらの間に配設された中央部の
それぞれの軸方向の長さに沿って一定であり、結合部材
の前側端部と中央部との間の前側移行部および中央部と
後側端部との間の後側移行部において結合部材の軸方向
の長さに沿ってそれぞれ低減および増大している。前側
および後側移行部はそれらの軸方向の長さに沿って直線
的または非直線的に変化している。中央部の断面の大き
さは前側および後側端部のそれぞれの断面の大きさより
も小さい。また、後側端部は細長い本体部の前側端部よ
りも大きい軸方向の長さおよび大きい断面寸法を有して
いる。
【０００９】また、本発明は焦点面に集束される非干渉
性高輝度光源、複数の光導体および光学結合組立体を有
する光学照明システムも対象とする。光学結合組立体は
上述した結合部材、および光導体の先端に結合されるよ
うに光学部材を保持する手段を有している。本発明のこ
れらおよび他の特徴および利点および達成しようとする
ものは図面とともに次の詳細な説明を閲読することによ
り本技術分野に専門知識を有する者に明らかであろう。
図面においては、本発明の例示的実施例が示されてい
る。
【００１０】
【実施例の記載】次に示す説明では、同じ符号はいくつ
かの図面を通して同じまたは対応する構成要素を示して
いる。また、次の説明において、「前方」、「後方」、
「左」、「右」、「上方」、「下方」などのような用語
は便宜上の用語であって、制限の意味として解釈される
べきものでないことを理解されたい。
【００１１】次に、図面、特に図１−４を参照すると、
全体的に１０で示されている光学照明システムが図示さ
れており、この光学照明システムは本発明の光学結合組
立体１２を有し、この光学結合組立体１２は光源１４を
照明システム１０の複数の光導体１６の先端１６Ａに結
合している。好ましくは、必ずしもというわけではない
が、光源１４は非干渉性の高輝度光出力Ｌを発生するこ
とができる電球１８、楕円体形状を有するような反射器
要素２０、および平面形状を有するような鏡要素２２を
有し、これらはともに非干渉性の高輝度光出力Ｌの像を
発生するように動作して、光学結合組立体１２の入端部
１２Ａに位置ぎめされた光学焦点面Ｐに集束するように
構成されている。「高輝度」という用語は１平方センチ
メートル当り約５０，０００ルーメンの有効輝度の出力
を有する光源を意味しているが、本発明は高輝度光源に
限定されず、どのような輝度の光源にも同様に適用する
ことができる。
【００１２】図１−図４を参照すると、光学結合組立体
１２は基本的には中心縦軸Ａを有し、光源１４と光導体
１６の先端１６Ａとの間に配設されている細長い光学結
合部材２４、および光導体１６の先端１６Ａと光学的に
結合するように結合部材２４を保持する手段２６を有し
ている。光学結合部材２４は光強度分布の均一性および
光の色混合を改良するように本発明による限られた数の
異なる多角形断面形状のいずれかを有する細長い光透過
性本体部２８である。結合部材２４は石英または適当な
プラスチックのような適当な光透過性材料で構成されて
いる。
【００１３】図示の実施例では、保持手段２６は互いに
光学的に結合された関係で結合部材２４および光導体１
６の先端１６Ａを受け入れて保持することができる中空
のスリーブ形状部材である。代わりとして、光導体１６
の先端１６Ａは、結合部材２４が中実の構造である実施
例において隣接する面相互間に適当な接着材を塗布する
ことによって結合部材２４の出側端部に接着することが
できる。代わりの実施例として、以下に説明するように
中空の管状構造の結合部材２４の場合には、光源１４お
よび光導体１６の先端１６Ａを結合部材２４の両側の端
部内に配置し、これにより別個の保持手段２６の必要性
を除去することができる。
【００１４】図１−図９を参照すると、光学結合部材２
４の第１の実施例において、細長い本体部２８の多角形
断面は縦軸Ａに沿った結合部材２４の全体の長さにわた
って形状および大きさが一定であるが、本発明は細長い
本体部２８の多角形断面が形状および大きさにおいて縦
軸に沿った一端から他端に向かって増大している他の実
施例も含むものであることを理解されたい。細長い本体
部２８は異なる断面形状を有するとともに、図５−図８
に示すように中空の管状構造を有したり、または図９に
示すように中実の構造を有することができる。細長い本
体部２８の中空の管状構造は多角形形状の辺の数と同数
の平面ミラーを使用することによって構成される。細長
い管状本体部２８の内面２８Ａは好ましくは高反射材で
被覆される。細長い本体部２８の中実の構造は多角形形
状の辺の数と同数の内側反射面２８Ａを有する。使用す
ることが好ましい細長い本体部２８の種々の多角形断面
形状は図２−図５および図９に示すような正方形、図６
に示すような長方形、図７に示すような三角形、図示し
ない五角形、および図８に示すような六角形のグループ
から選択されるものである。使用される種々の多角形状
の選択がこのグループの中に限られる理由は、六角形よ
りも多くの辺を有する多角形は円筒形に類似し、光学結
合組立体の出側端部１２Ｂに光を持続する明るい光スポ
ットを縦軸Ａに沿って集束する傾向があるからである。
【００１５】図１０−図１７を参照すると、光学結合部
材２４の第２の実施例において、細長い本体部２８は一
対の前側および後側端部３０、３２ならびにこの前側お
よび後側端部３０、３２の間に配設されている中央部３
４を有する。前側および後側端部３０、３２の多角形断
面形状は縦軸Ａの回りに対称に配設され、好ましくは本
体部２８の縦軸Ａに沿って取ったそれぞれの軸方向の長
さに沿って一定である。また、前側および後側端部３
０、３２の多角形の断面形状は大きさが中央部３４の多
角形の断面形状の大きさよりも大きい。更に、後側端部
３２の多角形断面形状は好ましくは前側端部３０の多角
形断面形状よりも大きさが大きい。また更に、後側端部
３２は縦軸Ａに沿って測定した軸方向の長さが前側端部
３０よりも大きくなっている。
【００１６】また、細長い本体部２８は前側および後側
移行部３６、３８を有している。前側移行部３６は前側
端部３０と中央部３４との間に配設されて両者に接続さ
れている。前側移行部３６の多角形の断面形状は大きさ
が縦軸Ａに沿って前側端部３０から中央部３４に向かっ
て低減している。後側移行部３８は中央部３４と後側端
部３２との間に配設されて両者に接続されている。後側
移行部３８の多角形断面形状は大きさが縦軸Ａに沿って
中央部３４から後側端部３６に向かって増大している。
前側および後側移行部３６、３８は図１０および１４に
示すように反対方向にテーパのついた構造を有し、これ
は縦軸Ａに沿って直線的に変化している。代わりに、前
側および後側移行部３６、３８は反対方向に向いた放物
面構造（または複合放物面構造）を有し、これは縦軸Ａ
に沿って非直線的に変化している。前側および後側移行
部３６、３８のテーパの付いた構造は互いに異なり、同
じ勾配または曲率である必要はないことを理解された
い。
【００１７】図１−図９の第１の実施例におけるよう
に、図１０−図１７の第２の実施例の細長い本体部２８
は種々の多角形断面形状、すなわち正方形、長方形、三
角形および六角形または五角形（図示せず）のいずれか
を有している。また、細長い本体部２８は図１０−図１
３および図１８に示されているように中空の管状構造を
有し、その内面２８Ａは光を反射する高反射材で被覆さ
れている。あるいは、細長い本体部２８は図１４−図１
７に示すように中実の構造を有することができる。図１
８および図１９に示されている実施例は、後側端部３２
が除去されていることを除いて図１０に示されている実
施例と同じである。
【００１８】上述した実施例のいずれかの構造を有する
結合部材２４の細長い本体部２８においては、単位長当
りの内部反射の数は円筒形結合部材の場合におけるもの
に比較して実質的に増大していることは容易に明らかで
ある。細長い本体部２８の多数の平坦な反射面が結合組
立体１２の出端部１２Ｂにおいて認められない程度まで
色の差を実質的に低減するように光の外側部分および中
心部分の混合を増大すると考えられる。
【００１９】正方形（長方形）の断面形状を有する結合
部材２４は比較的短い長さ、すなわち小さい長さ対断面
寸法比に対して混合を改良することがわかった。特定の
例として、１．１２５×１．１２５の平方インチの正方
形の断面形状を有する６インチの長さの結合部材は出力
開口部全体にわたって非常に均一な強度および色を発生
することがわかった。これは、図２に示すように縦軸Ａ
の周りに対称に位置しているか又はその一方の側に片寄
っているかに拘らず約０．７５インチの直径のスポット
に集中するほとんどどの位置の入力光Ｌに対しても当て
はまる。
【００２０】図２０−図２２を参照すると、光学結合部
材２４を通って伝達される光を交差するように光学結合
部材に２４の内部を横切って取り付けられた液晶型減光
装置のような減光装置４０が示されている。図２０にお
いて、液晶減光装置４０は多角形状の光学結合部材２４
の入端部２４Ａを横ぎって設けられている。図２１にお
いて、液晶減光装置４０は結合部材２４の軸方向の長さ
のほぼ中心点において結合部材２４の内部を横切って設
けられている。減光装置４０は該減光装置を適当な電源
および制御装置（図示せず）に接続し、減光装置４０に
電気エネルギを供給するための一対の電気リードワイヤ
４２を有している。液晶が通電されると、配列して透明
な状態になり、光が減光装置４０を通過できるようにな
る。電気エネルギが減らされるに従って、液晶の活性状
態は低減し、半透明な乳白色状態に変化し、減光装置４
０を通過する光の量が低減する。代わりとして、結合部
材２４の入端部１２Ａにカメラの絞りのような機械的減
光装置４０を使用することもできる。
【００２１】本発明およびその付随する利点の多くは上
述した説明から理解されるものと考えられ、また本発明
の精神および範囲から逸脱することなく、あるいはその
実質的利点の全てを犠牲にすることなく、本発明の構成
要素の形状、構造および構成に種々の変更を行うことが
できることは明らかであろう。上述した形態は単なる好
適または典型的な実施例に過ぎないものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】高輝度集束光源を複数の光導体に光学的に結合
する光学結合部材を有する本発明の光学結合組立体の部
分縦断面正面図であり、第１の実施例における光学結合
部材がその軸方向の長さに沿って一定である多角形断面
形状の細長い中空の管状本体部で構成されていることを
示す。
【図２】正方形の断面形状を有する光学結合部材を示し
ている図１の線２−２に沿って取った結合組立体の拡大
横断面図である。
【図３】図１の線３−３に沿って取った結合組立体の別
の拡大横断面図である。
【図４】図１の線４−４に沿って取った結合組立体の更
に別の拡大断面図である。
【図５】図２に類似した横断面図であり、光学結合部材
のみを示している。
【図６】図５に類似した横断面図であり、長方形の断面
形状を有する光学結合部材を示している。
【図７】図５に類似した横断面図であり、三角形の断面
形状を有する光学結合部材を示している。
【図８】図５に類似した横断面図であり、六角形の断面
形状を有する光学結合部材を示している。
【図９】図５に類似した横断面図であり、正方形の断面
形状を有する中実の本体部で構成した光学結合部材を示
している。
【図１０】光学結合部材の第２の実施例の拡大縦断面図
であり、光学結合部材の軸方向の長さに沿って変化する
正方形の断面形状の細長い中空の管状本体部を示す。
【図１１】図１０の線１１−１１に沿って取った結合部
材の前側端部の横断面図である。
【図１２】図１０の線１２−１２に沿って取った結合部
材の中央部の横断面図である。
【図１３】図１０の線１３に沿って取った結合部材の後
側端部の横断面図である。
【図１４】図１０に類似した縦断面図であり、光学結合
部材の第２の実施例の変更した構造を示し、結合部材の
軸方向の長さに沿って変化する正方形の断面形状の細長
い中実の本体部で構成されている。
【図１５】図１４の線１５−１５に沿って取った結合部
材の前側端部の横断面図である。
【図１６】図１４の線１６−１６に沿って取った結合部
材の中央部の横断面図である。
【図１７】図１４の線１７−１７に沿って取った結合部
材の後側端部の横断面図である。
【図１８】図１０に類似した縦断面図であり、光学結合
部材の第２の実施例の別の変更した構造を示している。
【図１９】図１８の線１９−１９に沿って取った光学結
合部材の後側端部の端面図である。
【図２０】図１に類似した部分縦断面正面図であり、本
発明の結合組立体の多角形状の光学結合部材の入端部に
設けられた液晶減光装置を示している。
【図２１】図２０に類似した縦断面図であり、光学結合
部材の軸方向の長さの中心点あたりの光学結合部材内に
設けられた減光装置を示している。
【図２２】減光装置の側面図である。
【符号の説明】
１０ 光学照明システム １２ 光学結合組立体 １４ 光源 １６ 光導体 ２６ 保持手段 ２８ 本体部 ３０ 前側端部 ３２ 後側端部 ３４ 中央部 ３６、３８ 移行部

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源を複数の光導体に結合するのに使用
    される光学結合部材であって、 （ａ）中心縦軸を有し、前記光源と前記複数の光導体の
    先端との間に配設される細長い光透過性本体部を有し、 （ｂ）前記本体部は光強度分布の均一性および光の色混
    合を改良するように相異なる多角形のグループからのみ
    選択された多角形断面形状を有している光学結合部材。
  2. 【請求項２】 前記細長い本体部は一対の前側および後
    側端部ならびに前記前側および後側端部の間に配設され
    た中央部を有し、前記前側および後側端部の前記多角形
    断面形状はそれぞれの大きさが前記中央部の前記多角形
    断面形状の大きさよりも大きくなっている請求項１記載
    の結合部材。
  3. 【請求項３】 前記前側および後側端部ならびに中央部
    の前記多角形断面形状は前記縦軸に沿って一定である請
    求項２記載の結合部材。
  4. 【請求項４】 前記後側端部の前記多角形断面形状は大
    きさが前記前側端部の前記多角形断面形状の大きさより
    も大きくなっている請求項２記載の結合部材。
  5. 【請求項５】 前記後側端部は前記縦軸に沿って測定さ
    れた長さが前記前側端部よりも大きくなっている請求項
    ２記載の結合部材。
  6. 【請求項６】 前記細長い本体部は一対の前側および後
    側移行部ならびに該前側および後側移行部の間に配設さ
    れた中央部を有し、前記前側および後側移行部の前記多
    角形断面形状のそれぞれの大きさは前記中央部の前記多
    角形断面形状の大きさよりも大きくなっている請求項１
    記載の結合部材。
  7. 【請求項７】 前記前側移行部の前記多角形断面形状は
    前記縦軸に沿った大きさが前記中央部から前記光源に向
    かって増大し、前記後側移行部の前記多角形断面形状は
    前記縦軸に沿った大きさが前記中央部から前記光導体に
    向かって増大している請求項６記載の結合部材。
  8. 【請求項８】 前記前側および後側移行部は前記中央部
    から互いに反対方向にテーパが付けられている請求項６
    記載の結合部材。
  9. 【請求項９】 前記前側および後側移行部の少なくとも
    一方に接続された端部を更に有する請求項６記載の結合
    部材。
  10. 【請求項１０】 前記前側および後側移行部の各々に接
    続された端部を更に有し、前記端部の前記多角形断面形
    状の大きさは前記中央部の前記多角形断面形状の大きさ
    よりも大きくなっている請求項６記載の結合部材。
  11. 【請求項１１】 非干渉性光源および複数の光導体を有
    する光学照明システムにおける光学結合組立体であっ
    て、 （ａ）中心縦軸を有し、前記光源と前記複数の光導体の
    先端との間に配設される細長い光透過性結合部材と、 （ｂ）前記光導体の先端に光学的に結合されるように前
    記光学結合部材を保持する手段とを有し、 （ｃ）前記結合部材は光強度分布の均一性および光の色
    混合を改良するように相異なる多角形形状のグループか
    らのみ選択された多角形断面形状を有している光学結合
    組立体。
  12. 【請求項１２】 前記グループの多角形形状は長方形、
    正方形、三角形および六角形を含む請求項１、２または
    １１記載の発明。
  13. 【請求項１３】 前記細長い本体部は中実の構造を有し
    ている請求項１、２または１１記載の発明。
  14. 【請求項１４】 前記細長い本体部は中空の管状構造を
    有している請求項１、２または１１記載の発明。
  15. 【請求項１５】 前記細長い本体部は内面が高反射材で
    被覆されている請求項１４記載の発明。
  16. 【請求項１６】 前記光源は、非干渉性光出力を発生す
    ることができる電球と、楕円体形状を有する反射器要素
    と、平面形状を有する鏡要素とを有し、前記電球、反射
    器要素および鏡要素はともに非干渉性の光出力の像を発
    生するように動作して、前記光学結合組立体の入端部に
    向けるように構成されている請求項１１記載の組立体。
  17. 【請求項１７】 前記保持手段は互いに光学的に結合さ
    れるように前記細長い部材および前記光導体の先端を受
    け入れて保持することができる中空のスリーブ形状部材
    である請求項１１記載の組立体。
  18. 【請求項１８】 前記細長い本体部は一対の前側および
    後側端部ならびに該前側および後側端部の間に配設され
    た中央部を有し、前記前側および後側端部ならびに中央
    部の前記多角形断面形状は前記縦軸に沿って一定であ
    り、前記前側および後側端部の前記多角形断面形状のそ
    れぞれの大きさは前記中央部の前記多角形断面形状の大
    きさよりも大きくなっている請求項１１記載の組立体。
  19. 【請求項１９】 前記細長い本体部は、 前記前側端部と中央部との間に配設されて両者に接続さ
    れ、多角形断面形状の前記縦軸に沿った大きさが前記前
    側端部から前記中央部に向かって低減している前側移行
    部と、 前記中央部と後側端部との間に配設されて両者に接続さ
    れ、多角形断面形状の前記縦軸に沿った大きさが前記中
    央部から前記後側端部に向かって増大している後側移行
    部とを有している請求項２または１８記載の発明。
  20. 【請求項２０】 前記前側および後側移行部は前記縦軸
    に沿って直線的にまたは非直線的に変化している請求項
    １９記載の発明。
  21. 【請求項２１】 前記細長い光透過性結合部材の一対の
    対向端部の一端に、または前記対向端部の間の内部を横
    切って位置付けされ、前記結合部材を通って前記光源か
    ら前記光導体に進む光の強度を制御するように動作する
    減光手段を更に有している請求項１１記載の組立体。
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